[发明专利]一种形成石墨烯纳米带异质结的方法

说明书

一种形成石墨烯纳米带异质结的方法，属于碳纳米材料技术领域。本发明采用一维纳米孔对石墨烯纳米带进行调谐，基于第一性原理计算方法，对具有不同形状纳米孔调谐后石墨烯纳米带单元的电子特性和带阶匹配进行仿真，通过仿真得到形成第I类带阶匹配或第II类带阶匹配异质结的纳米孔指导实际石墨烯纳米带上纳米孔设计。本发明能够形成I型和II型的带阶匹配，并且操作简单可控。基于I型带阶匹配构造的石墨烯异质结，可用于制造分子整流器和分子转换器等电子器件；基于II型带阶匹配构造的石墨烯异质结是潜在的光电器件的构成元件。本发明提出的调制方式可满足石墨烯纳米器件的多种设计要求，适用于不同纳米器件的设计，为石墨烯电子和光电器件的设计奠定了基础。

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种形成石墨烯纳米带异质结的方法。

背景技术

石墨烯自被发现以来，迅速引发了科研技术人员的研究热潮。作为目前备受关注的二维材料之一，石墨烯表现出诸多独特的物理特性，比如：较高的迁移率、较好的机械强度，较高的热导和较宽的光学吸收范围等。由于自身优异的性质，石墨烯成为制造电子学元件的理想材料，并且被认为是后摩尔时代替代硅的候选材料之一。但是想要成功替代硅成为未来的微电子材料，其中一个重要的阻碍因素便是石墨烯本身没有带隙(零带隙特性)，本征石墨烯的导带和价带相交于第一布里渊区的六个顶点，即狄拉克点，能带难以打开，使其无法在半导体领域直接应用，进而使其在电子器件方面的潜在应用受到了限制。为此，研究人员对如何打开石墨烯的带隙进行了大量研究，发展得到如下方法来实现石墨烯带隙的打开：(1)利用量子限制效应，通过制作特殊的石墨烯纳米结构来形成带隙，比如沿不同方向切割石墨烯形成具有不同边缘结构的纳米带，常见扶手椅型(AGNR)和锯齿型(ZGNR)边缘的石墨烯纳米带。该方法获得的石墨烯纳米带由于具有横向上的量子尺寸限制效应而打开带隙；(2)在二维石墨烯上形成周期性排布的六角状纳米孔，称为石墨烯纳米网格(GNM)；该方法获得的结构被视作纳米带形成的阵列，也能打开石墨烯的带隙；(3)通过吸附或是掺杂其他元素在导带和价带之间引入带隙。通过上述三种方法调谐石墨烯电子特性，能够使得石墨形成新的电子特性。

随着石墨烯纳米带技术的发展，微小尺寸纳米带已经被制备出来，石墨烯纳米带器件也获得了更多的关注，同时基于各种调谐方法的石墨烯异质结也得到了广泛的研究。在半导体物理学中，当两个不同半导体接触形成界面，即构成异质结。由于不同半导体材料具有不同的亲合势和不同的禁带宽度，如果不考虑在界面处的电子交换，则在界面附近具有不同的能带结构，就会形成不同匹配类型。如图1所示，原则上有三类异质结：(1)一种半导体的禁带完全包含在另外一种半导体的禁带之内，形成第I类的带阶，称为跨立型异质结；(2)两种半导体的禁带互相错开，一种半导体的最低导带和最高价带分别处于另外一种半导体之上，形成第II类的带阶，称为错开型异质结；(3)两种半导体的禁带没有共同的能量，一种半导体的价带处在另外一种半导体的导带之上，形成第III类的带阶，称为破隙型异质结。三种不同匹配类型的异质结在电子器件中具有不同的表现：跨立型异质结由于一种半导体的禁带完全包含在另外一种半导体的禁带之内，电子会从宽带流向窄带，使得窄带一边变为积累区；错开型异质结，由于其中一种半导体的导带底和价带顶都分别高于另外一种半导体的导带底和价带顶，这样导带电子会集中于能带边较低的半导体中，而空穴将集中于能带边较高的半导体中，使得电子和空穴在空间中是分开的，并且分别处于两种半导体中，因此能够显著提升载流子的寿命；破隙型异质结，由于其中一种半导体的价带处在另外一种半导体的导带之上，前者半导体价带中有大量空穴，后者半导体导带中有大量电子，两者都表现出导电性，因此这类异质结表现出半金属的特性。

对于实现特定匹配类型石墨烯纳米带异质结理论研究，主要集中在两个方面：

(1)几何结构调谐；比如：将不同边缘的纳米带单元结合在一起形成金属和半导体接触异质结，或者是将不同宽度扶手椅状边缘石墨烯纳米带(扶手椅状边缘的纳米带按照宽度可以分为三个系列，3p，3p+1，3p+2(p＝6)，其带隙△3p+1△3p△3p+2)结合而形成第I类带阶匹配的异质结；